progettazione di un alimentatore

Tutti i dispositivi elettronici hanno bisogno di energia elettrica per poter svolgere le funzionalità per cui sono stati progettati. Fornire un’adeguata corrente non vuol dire trattarla in modo semplicistico dalla fonte all’erogazione, senza preoccuparsi del carico o dell’utente che l’andrà a utilizzare. E’ necessario, al contrario, conoscere questi ultimi in modo approfondito, al fine d’indirizzare la progettazione dell’alimentatore verso una determinata direzione.

Introduzione

L’alimentazione è la spina dorsale di qualsiasi sistema elettronico e fornisce energia elettrica a tutti i circuiti. La scelta del corretto alimentatore può fare la differenza tra un dispositivo che funziona a livelli ottimali e uno che può fornire risultati decenti o, addirittura, incongruenti.

Oltre agli alimentatori che trasformano la corrente alternata (AC) in corrente continua (CC), esistono anche convertitori da CC a CC. Se la tensione continua risulta già disponibile nel sistema, un convertitore da CC a CC potrebbe essere la scelta migliore e, addirittura, ideale per la progettazione.

Cenni sulla conversione AC-CC

Gli alimentatori di questa tipologia prelevano la tensione alternata dalla rete (domestica o industriale), la riducono utilizzando un trasformatore di potenza e, infine, la convertono in segnale continuo (vedi figura 1).

I trasformatori separano anche l’alimentazione di uscita dall’ingresso di rete, pertanto essi costituiscono un ottimo sistema di protezione a isolamento. La corrente alternata assume la forma di un’onda sinusoidale, con la tensione che si alterna da positiva a negativa nel tempo (grafico verde). Nella prima fase del processo, la tensione viene rettificata utilizzando un insieme di diodi. Tale rettifica trasforma l’AC sinusoidale convertendola in una serie di picchi positivi (grafico rosso).

La fluttuazione della forma d’onda deve essere rimossa grazie al livellamento e al filtraggio da parte dei condensatori. Il condensatore, solitamente abbastanza capiente, crea un serbatoio di energia che viene applicato al carico quando la tensione rettificata cala. L’energia in entrata viene immagazzinata nel condensatore sul fronte di salita e utilizzata quando la tensione scende. Ciò riduce significativamente la quantità di caduta di tensione, attenuandola. L’aumento della capacità del condensatore aumenta generalmente la qualità dell’alimentatore. A livellamento della tensione avvenuto c’è ancora qualche piccola variazione nell’uscita, chiamata “ripple” (grafico marrone).

In un alimentatore stabilizzato, la tensione transita attraverso un regolatore per ottenere un’uscita CC fissa senza ondulazione (grafico blu).

schema e grafico di principio della trasformazione da AC a CC
Figura 1: schema e grafico di principio della trasformazione da AC a CC

Cenni sulla conversione CC-CC

Come suggerisce il nome, i convertitori CC-CC convertono una tensione CC in un’altra tensione CC.

Il funzionamento di diversi dispositivi elettronici, come i circuiti integrati, può variare in un ampio intervallo di valori, rendendo necessaria la fornitura di una specifica tensione per ciascun dispositivo. I convertitori Buck forniscono una tensione inferiore rispetto a quella originale, mentre i convertitori Boost forniscono una tensione maggiore. Vengono anche utilizzati per scopi d’isolamento.

Possono essere lineari o switching, a seconda del metodo utilizzato per la conversione. I convertitori CC-CC sono circuiti di conversione di potenza ad alta frequenza che utilizzano segnali di commutazione e induttori, trasformatori e condensatori ad alta frequenza, per eliminare il rumore nella tensione prodotta.

I circuiti di feedback mantengono costante la tensione in uscita anche quando si modificano le tensioni d’ingresso e le correnti di uscita. Risultano molto più efficienti e più piccoli dei regolatori lineari ma sono più complessi. Esaminiamo lo schema di principio di cui alla figura 2. L’elemento di commutazione S2 permette la generazione di altissimi picchi di tensione ai capi dell’induttore L1. D1 provvede, quindi, a raddrizzare il segnale mentre C1 si preoccupa di livellarlo e di renderlo adeguato al carico R1. Quello rappresentato in figura costituisce un semplice esempio di convertitore Boost.

schema e grafico di principio della trasformazione da CC a CC
Figura 2: schema e grafico di principio della trasformazione da CC a CC

Caratteristiche di un alimentatore professionale

Un alimentatore professionale (vedi figura 3) deve essere caratterizzato da diversi parametri accuratamente scelti, a seconda del suo settore d’impiego. In dipendenza dell’utilizzo finale, le sue caratteristiche potranno variare per un uso medico, automotive, industriale e così via.

Una delle caratteristiche più importanti è rappresentata dall’efficienza dell’alimentatore. Essa influisce sul funzionamento dell’intero sistema elettronico, sulle perdite termiche ed elettriche del sistema, sulle temperature operative dei componenti e determina il fabbisogno del raffreddamento, decretando le dimensioni fisiche del dispositivo.

Tutti i fattori determinanti sono tra loro collegati: efficienza, peso, ingombri, temperature operative, costi e affidabilità. Basta cambiare un solo parametro per modificare tutti gli altri. La progettazione di un alimentatore professionale comporta anche la considerazione di altri fattori come, ad esempio, la protezione da temperatura massima, il controllo del corto circuito o della sovracorrente all’uscita, la deriva termica e la capacità di fornire un’alta corrente allo spunto. Queste sono tutte caratteristiche che devono essere valutate all’atto dell’analisi.

Una delle protezioni più importanti da implementare è quella della sovracorrente, che si verifica quando l’alimentatore eroga una corrente maggiore di quella specificata. Tale controllo viene effettuato da sofisticati circuiti di protezione interni. Esso include anche quello di corto circuito. Senza tali verifiche, si potrebbe verificare il surriscaldamento del sistema, danneggiando l’alimentatore, i circuiti e il carico stesso. Anche per questo motivo, i modelli professionali dovrebbero prevedere una modalità di avvio graduale della fornitura di corrente. Questa fornitura proteggerebbe il circuito da alte correnti allo spunto.

Anche il controllo da eccessiva temperatura è importante. Essa potrebbe causare un guasto dell’alimentatore o, in generale, un funzionamento anomalo. Allo scopo, si utilizzano dei sensori di temperatura con relativi circuiti, che disabilitano l’alimentazione se la temperatura di funzionamento supera un determinato valore specifico.

I guasti da sovratensione sono pericolosi per il carico. Non tutti riescono a reggere una tensione di alimentazione più elevata. In questi casi viene disattivata l’alimentazione se la tensione di uscita supera un valore specificato. Esiste anche il caso opposto, quello della sottotensione, che attiva la protezione quando la tensione scende al di sotto di un determinato valore. Non per ultimo, gli alimentatori professionali dovrebbero garantire una compatibilità elettromagnetica in modo da ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI), presenti soprattutto nei modelli switching. Tale problematica si riduce prevedendo adeguati contenitori metallici, ottimi filtri e opportuni cablaggi.

un esempio di alimentatore professionale
Figura 3: un esempio di alimentatore professionale

Convertitori medicali ed elettromedicali

Gli alimentatori destinati ad applicazioni medicali (vedi figura 4) sono senz’altro più critici e più delicati di tutti gli altri. In questo caso, infatti, si ha a che fare con le vite umane e un alimentatore di questo genere deve risultare perfetto, sotto tutti i punti di vista. Proprio per questi motivi esistono precise regolamentazioni di legge, normative e certificazioni che dettano, in modo specifico, le varie direttive.

Un alimentatore per apparecchiature medicali deve fornire tensione elettrica a dispositivi medicali. Essi risultano direttamente collegati al corpo umano attraverso dei fili elettrici. Si comprende subito come la materia della progettazione costituisca un argomento estremamente delicato e critico. Sarebbe sufficiente, infatti, una minima dispersione oppure un difetto di fabbrica per comportare disastrose conseguenze al paziente. Anche l’operatore deve essere salvaguardato, per cui le protezioni sono estese anche agli elettrodi, alle sonde, ai collegamenti e alle altre parti esterne.

Una delle caratteristiche fondamentali, dunque, è l’isolamento galvanico. L’isolamento garantisce la sicurezza del dispositivo, bloccando le scariche elettriche e i picchi di corrente e di tensione. In fase di costruzione, vengono eseguiti dei test, sottoponendo gli alimentatori stessi a una forte tensione tra ingresso e uscita (>3000V) per svariati secondi. Non per ultimo, un ottimo alimentatore deve evitare correnti di dispersione che potrebbero causare anche la morte del paziente, se lo attraversassero al di sopra di una determinata soglia.

alimentatore per dispositivi elettromedicali
Figura 4: un alimentatore per dispositivi elettromedicali
Come gestire al meglio e risolvere le problematiche della potenza

Come gestire al meglio e risolvere le problematiche della potenza

Tra le soluzioni disponibili, una menzione particolare va ai dispositivi di RECOM, azienda che conosce molto bene le problematiche della fornitura di energia elettrica e che propone prodotti sinonimo di alta tecnologia e affidabilità.

I convertitori e gli alimentatori devono essere di alta qualità, efficienti dal punto di vista energetico, affidabili e compatti.

La vasta linea di convertitori presenta un’alta densità di potenza, una corrente a vuoto minima e ampi intervalli operativi di temperatura. Particolare cura è dedicata alle certificazioni a livello internazionale.

Uno dei cavalli di battaglia della RECOM è rappresentato dagli alimentatori REDIN della serie 3AC (vedi figura 5). Si tratta di alimentatori molto robusti per funzionamento in rete bifase e trifase da 320 a 575 V CA senza la necessità di una connessione neutra.

Quattro versioni con limitazione di corrente erogano 5 A, 10 A, 20 A o 40 A fino a +55° C.

L’uscita può essere messa a terra tramite un terzo terminale di uscita comune. Il segnale LED sul pannello frontale indica che la tensione di uscita rimane all’interno dell’ampio intervallo regolabile da 22,5 a 29,5 V CC. Le unità sono coperte da certificati di sicurezza internazionali e sono destinate all’uso in tutto il mondo. E’ possibile collegare in parallelo le unità per aumentare la corrente erogata.

l’alimentatore della RECOM REDIN960-24/3AC ha una potenza di ben 960 W e può erogare fino a 40A con un isolamento di 4,24 kV
Figura 5: l’alimentatore della RECOM REDIN960-24/3AC ha una potenza di ben 960 W e può erogare fino a 40A con un isolamento di 4,24 kV

Per quanto riguarda, invece, i moduli per montaggio su PCB, la RECOM dispone centinaia di soluzioni per qualsiasi esigenza. Un esempio è fornito dal modello RAC60-48SB, visibile in figura 6.

Questo convertitore switching ha un intervallo di tensione d’ingresso universale con uscite singole che possono essere compensate, per eventuali cadute di tensione. Gli inserti filettati assicurano un perfetto fissaggio meccanico. Ha una potenza di 60 W, la tensione d’ingresso può essere compresa tra 85 V e 265 V mentre quella di uscita è di 48 V, con un isolamento di 4 kV.

convertitore switching RAC60-48SB
Figura 6: il convertitore switching RAC60-48SB

Un altro dispositivo della RECOM, tra l’altro uscito da poco tempo dalla fabbrica, è rappresentato dal modello RACM550-48SG/OF, visibile in figura 7. Esso è stato progettato per supportare una potenza di uscita continua fino a 300 Watt senza raffreddamento della ventola. Il design compatto della piastra base consente la dissipazione diretta del calore attraverso alloggiamenti metallici nell’applicazione.

Regolatori lineari e regolatori switching

I regolatori di tensione svolgono un ruolo fondamentale nel mantenere la tensione in uscita il più possibile stabile al variare della tensione in ingresso e della corrente assorbita dal carico. I regolatori di tensione possono essere suddivisi in due categorie principali: regolatori lineari e regolatori switching. I regolatori lineari, apparsi per primi sul mercato, hanno per lungo tempo rappresentato la principale tecnica di regolazione della tensione utilizzata in molti alimentatori e convertitori DC-DC. Il loro principale limite, tuttavia, è rappresentato da un valore di efficienza non particolarmente elevato, il quale comporta in molte applicazioni problemi di dissipazione termica, soprattutto se il drop-out è non trascurabile.

I regolatori lineari

I regolatori lineari rappresentano la soluzione ideale per alimentare circuiti di bassa potenza, o comunque applicazioni in cui la differenza tra il valore della tensione in ingresso e quello della tensione in uscita si mantenga all’interno di un intervallo molto ristretto. Comparsi già alla fine degli anni ’60, i regolatori lineari hanno sin dall’inizio riscosso un notevole successo tra i progettisti per la loro semplicità (richiedono pochissimi componenti esterni) e per il basso costo. Ciononostante, i regolatori lineari sono poco efficienti e l’inefficienza cresce all’aumentare della differenza tra tensione in ingresso VIN e tensione in uscita VOUT. La potenza P dissipata da un regolatore lineare è infatti calcolabile con la seguente formula, dove IL è la corrente sul carico:

P = (VIN – VOUT) x IL

Ne consegue che è consigliabile ridurre il più possibile la differenza di tensione, o drop-out, come avviene ad esempio nei regolatori LDO di tipo commerciale. Ove ciò non sia possibile, occorre mettere in conto una riduzione dell’efficienza e prevedere appropriate tecniche di raffreddamento per disperdere il calore generato.

I regolatori switching

I regolatori switching, basati sulla tecnica di commutazione che ha decretato il successo degli alimentatori SMPS, sono caratterizzati da un’elevata efficienza e da dimensioni molto compatte.

Rispetto ai regolatori lineari, presentano tuttavia lo svantaggio di una maggiore complessità, costo leggermente superiore e maggiore rumore, legato alla commutazione dello switch.

Le più recenti applicazioni elettroniche richiedono soluzioni in grado di offrire bassi assorbimenti di potenza, spazio ridotto, elevata affidabilità e ampio range della tensione in ingresso. I regolatori switching rappresentano l’unica alternativa in grado di soddisfare tutti questi requisiti.

Questi regolatori utilizzano un transistor ad effetto di campo che viene fatto commutare rapidamente tra gli stati ON e OFF: il convertitore immagazzina temporaneamente una quantità di energia, per poi rilasciarla in uscita a un differente livello di tensione. Il duty cycle del segnale PWM utilizzato per comandare la commutazione determina la durata dei periodi ON e OFF e, quindi, la quantità di energia trasferita al carico.

I regolatori switching raggiungono un’efficienza molto elevata in quanto sono sempre nello stato di completa conduzione (ON) oppure di completa interdizione (OFF) e quindi hanno perdite di potenza quasi nulle.

In Figura 6 è visibile l’analisi termica relativa a tre tipologie di regolatori, eseguita nelle stesse condizioni operative: due regolatori lineari (uno discreto e l’altro integrato, con package differenti) e un regolatore switching. Si osservi come quest’ultimo, in virtù della maggiore efficienza, non presenti grossi problemi di dissipazione termica.

Regolatori switching
Figura 6: analisi termica per diverse tipologie di regolatori
giuseppekodool